JP2005142816A

JP2005142816A - 自己補対型アンテナ

Info

Publication number: JP2005142816A
Application number: JP2003376894A
Authority: JP
Inventors: Ryuzo Nishi; 竜三西; Tomoaki Tanaka; 倫明田中
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】複数の周波数を使うシステムにおいて、１本のアンテナで対応することが可能な自己補対型広帯域アンテナを提供する。
【解決手段】メビウス輪状に形成された帯体１０２上に、帯状の導電体１０３と導電体１０３と同じ幅の帯状の非導電体１０４とを対とし、導電体１０３の一端部を給電点１，１６、他端部を開放端としたアンテナを２本備えた自己補対型アンテナとすることで、小型で、広い周波数領域で定インピーダンスを確保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナインピーダンスが周波数に依存しない所要周波数帯域幅の広い自己補対型アンテナに関するものである。

従来の自己補対型アンテナとして非特許文献１に記載がある。その構成をついて図４に基づいて説明する。

図４は、従来の自己補対型アンテナの構成を示す図である。

図４において、３１は導体板、３２は給電点、３３は給電点、３４は開口面である。

このように構成された自己補対型アンテナについて、その動作を説明する。

導体板３１について考えると、図４のアンテナは３角形のダイポールアンテナと考えることができる。この場合、給電点３２と３３の近傍の電界Ｅｄを積分路ｕ２に沿って積分すると２素子間の電位が計算されるが、ｕ２が給電点３２と３３に近づくとアンテナの端子電圧Ｖｄを与え、（数１）となる。

また、導体板３１の周囲の磁界Ｈを周回積分すると、アンペアの周回積分の定理により、そこを流れる電流Ｉｄは、（数２）となる。

導体板３１の表と裏は対称であるから磁界は等しいので、アンテナ表面の磁界Ｈｄを使えば、（式３）となる。

ダイポールアンテナとしての端子電流Ｉｄが与えられる。

従って、（数１）と（数３）より、このダイポールアンテナのインピーダンスＺｄは、（数４）となる。

次に、導体で囲まれた開口面３４について考えると、図４のアンテナはスロットアンテナとして考えることも出来る。この場合、積分路ｕ１に沿って電界Ｅｓで積分すると、開口面３４の周囲の導体間の電位が求められるが、積分路ｕ１を給電点３２と３３に近づけるとそれは供給電圧Ｖｓを与え、（数５）となる。

一方、導体表面の磁界Ｈｓを積分路ｕ２に沿って積分すると、同様にして、スロットアンテナとしての端子電流Ｉｓは、（数６）で与えられる。

従って、（数５）と（数６）より、このスロットアンテナのインピーダンスＺｓは、（数７）となる。

従って、（数４）と（数７）から、（数８）となる。

ところで、磁界と電界の相似性より、ｋを比例定数とした場合、（数９）で示される式
となる。

また、自由空間のインピーダンスをη₀とすると、（数１０）および（数１１）で示される式となる。

従って、（数９）、（数１０）、（数１１）を（数８）に代入すると、近似式として、（数１２）となる。

ここで、図４のアンテナの大きさが無限に広い場合には、（数１３）と考えられる。

従って、（数１３）を（数１２）に代入すると、（数１４）となる。

（数１４）が示すように、インピーダンスが周波数に依存せず、それだけ、対応する所要周波数帯域幅の広い広帯域アンテナになることを示している。
築地武彦著，「電波・アンテナ工学入門」，初版，総合電子出版，２００２年３月６日，ｐ．２１０−２１４

解決しようとしている問題点は、アンテナが周波数に依存せず定インピーダンスとし、アンテナの所要周波数帯域幅を大きくするには、アンテナの長さが無限に長いことが条件となる。

従って、アンテナの形状が３角形の場合、その条件に近似的にでも合うようにすると、その長さを長くする必要があり、アンテナの大きさが大きくなるという問題がある。

本発明は、複数の周波数に対応可能な自己補対型アンテナを提供することを目的とする。

本発明は、帯体の一方の面に、帯状の導電体と、前記導電体に隣接して形成された帯状の非導電体とを対とする第１のアンテナ部を２組形成し、前記帯体の他方の面に、前記帯状の導電体および非導電体とそれぞれ同じ幅の帯状の導電体および非導電体を対とする第２のアンテナ部を２組形成し、前記第１のアンテナ部は、それぞれ前記帯体の長手方向の端部に第１の接続端を有し、前記第２のアンテナ部は、それぞれ前記第１の接続端が形成された前記帯体の長手方向の反対側の端部に第２の接続端を有し、前記帯体をメビウス輪状とすることにより前記第１のアンテナ部の第１の接続端と前記第２のアンテナ部の第２の接続端とを同一面で接続して２本のアンテナを形成したことを最も主要な特徴とする。

本発明は、導電体と非導電体を配置した帯体をメビウス輪状にしたアンテナとすることにより、導電体と非導電体を相互に相似とした状態を維持したまま、導電体と非導電体で形成されるアンテナの一端部を給電点とし、他端部を開放端とできるため、容易に自己補対型アンテナを実現でき、結果として定インピーダンスで非常に広帯域の自己補対型アンテナとすることができる。

また、導電体と非導電体を同じ幅で形成することで、相似形としたまま、メビウス輪のループ状にすることが簡単にできるため、非常に小型の自己補対型アンテナとすることができる上、小型でありながら、広帯域に渡って送受信が可能であるという効果を有する。

また、第１のアンテナ部は、帯体の長手方向の中心線より片面に、中心線に平行した端辺に、接して平行かつ同じ長さに、導電体と非導電体とを偶数対隣接して配置した１組と、片面の反対側に、中心線に平行した端辺の一端部から、他端部の１対分の幅ほど中心線側に寄った位置まで結ぶ仮想線に、接して平行かつ同じ長さに、導電体と非導電体を、偶数対より１対少なく配置した１組とからなり、第２のアンテナ部は、第１のアンテナ部を平行に配置した端辺に、接して平行かつ同じ長さに、導電体と非導電体とを偶数対隣接して配置した１組と、第１のアンテナ部が接する前記一端部から前記他端部の１対分の幅ほど中心線側に寄った位置まで結ぶ仮想線に接して平行かつ同じ長さに導電体と非導電体を偶数対より１対少なく配置した１組とからなるように、導体配置とすることで、この帯体をねじってメビウス状に確実に導電体と非導電体を連続するように接続することができ、更に一端部を給電点、他端部を開放端とすることができ、容易に自己補対型アンテナを形成することが可能となる。

本発明の請求項１に記載の発明は、帯体の一方の面に、帯状の導電体と、導電体に隣接して形成された帯状の非導電体とを対とする第１のアンテナ部を２組形成し、帯体の他方の面に、帯状の導電体および非導電体とそれぞれ同じ幅の帯状の導電体および非導電体を対とする第２のアンテナ部を２組形成し、第１のアンテナ部は、それぞれ帯体の長手方向の端部に第１の接続端を有し、第２のアンテナ部は、それぞれ第１の接続端が形成された帯体の長手方向の反対側の端部に第２の接続端を有し、帯体をメビウス輪状とすることにより第１のアンテナ部の第１の接続端と第２のアンテナ部の第２の接続端とを同一面で接続して２本のアンテナを形成したとしたものであり、導電体とこれと対を成し相似する非導電体とを有するメビウス輪状となったアンテナとすることができる。このアンテナの一端部を給電点、他端部を開放端とすることで自己補対型アンテナとすることができる。メビウス輪状のループ状により小型化を実現しながら、導電体と非導電体が相似となることにより自己補対型アンテナを容易に実現でき、定インピーダンス特性を得ることで、広帯域化を実現することができる。

本発明の請求項２に記載の発明は、導電体と非導電体は、同じ幅で形成されたことを特徴としたものであり、相似形としたまま、メビウス輪のループ状にすることが簡単にできるため、非常に小型の自己補対型アンテナとすることができる上、小型でありながら、広帯域に渡って送受信が可能である。

本発明の請求項３に記載の発明は、第１のアンテナ部は、帯体の長手方向の中心線より片面に、中心線に平行した端辺に、接して平行かつ同じ長さに、導電体と非導電体とを偶数対隣接して配置した１組と、片面の反対側に、中心線に平行した端辺の一端部から、他端部の１対分の幅ほど中心線側に寄った位置まで結ぶ仮想線に、接して平行かつ同じ長さに、導電体と非導電体を、偶数対より１対少なく配置した１組とからなり、第２のアンテナ部は、第１のアンテナ部を平行に配置した端辺に、接して平行かつ同じ長さに、導電体と非導電体とを偶数対隣接して配置した１組と、第１のアンテナ部が接する一端部から他端部の１対分の幅ほど中心線側に寄った位置まで結ぶ仮想線に接して平行かつ同じ長さに導電体と非導電体を偶数対より１対少なく配置した１組とからなることとしたものであり、導電体と非導電体を帯体の中心線の片側において帯体の中心線と平行した端辺と平行とし、もう一方側では帯体の中心線と平行した端辺に対して斜めに配置することで、この帯体にねじりを入れて端部同士を接続してメビウス輪状とし、導電体の一端部が給電点となり他端部が開放端となって、導電体と非導電体が相似である状態を保ったメビウス輪の自己補対型アンテナを構成することが容易に実現できる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態に係る自己補対型アンテナを図１〜図３に基づいて説明する。

図１は本発明の実施の形態による自己補対型アンテナの外観図であり、図２は、本発明の実施の形態による自己補対型アンテナを広げた時の帯体の一方の面の導電体の配置構成図であり、図３は本発明の実施の形態による自己補対型アンテナを広げた時の帯体の他方の面の導電体の配置構成図を示すものである。なお、本実施の形態においては、メビウスの輪状に接続する帯体に表面や裏面はないが、便宜上、図２を表面とし、図３を裏面とする。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る自己補対型アンテナ１０１は、帯体１０２に、導電体１０３と非導電体１０４からなるアンテナ部１０５が形成されている。

アンテナ部１０５は、帯体１０２の表面および裏面に形成され、帯体１０２をメビウス輪状に接続することで接続され、アンテナ１０６としている。

アンテナ１０６は、帯体１０２に２本形成され、それぞれの一端部に給電点１，１６が、他端部に開放端１５，３０（図示せず）が形成されている。

帯体１０２は塩ビなどの素材で作られたケーブル、もしくはベルト状のものであり、ビニールや樹脂などの素材であっても良い。また帯体１０２は折り曲げや屈曲させるのが容易な弾性を有するものであり、ねじれを入れたメビウス輪を実現することが容易であるものである。

導電体１０３は、帯体１０２上に形成される導電性の部分であり、たとえば金属製の塗布材を用いてレールのように形成されることで実現される。あるいは、フレキシブルケーブルのように銅線を配置しても良い。導電体１０３は帯体１０２の表面と裏面の両方に形成される。

導電体１０３は、帯状であるが、同じ幅で形成されていれば線状でもよい。また非導電体１０４も同様に帯状であり、同じ幅で形成されていれば線状でもよい。導電体１０３と非導電体１０４とは、所定の比率の幅で対をなすことで、相似となり定インピーダンスを有するアンテナを形成している。

導電体１０３と非導電体１０４は同じ幅とするのが、相似形としたまま、メビウス輪のループ状にすることが簡単にできるため望ましい。

なお、非導電体１０４は、導電体１０３を帯体１０２に配置して、導電体１０３を配置しない部分が非導電体１０４としてもよい。このときは、帯体１０２を非導電性を有する材質のものを使用する。

導電体１０３は、非導電体１０４とでアンテナ部を形成し、メビウス輪となる帯体１０２上でループとすることで連続してつながったアンテナを形成し、全体として非常に長い導電体を構成する。そして、そのアンテナの一端部が給電点１または給電点１６となり、他端部が開放端１５または開放端３０とすることで、自己補対型アンテナ１とすることができる。

なお、導電体１０３は導体材料の塗布によるものではなくて、パターン印刷によるものであってもよい。そうすることで、導電体１０３と非導電体１０４を同時に作製することができる。

自己補対型アンテナ１０１はメビウス輪状態となっており、ねじれが入った上で一周している。このような構成とすることで、導電体１０３と非導電体１０４を相似に保ったまま、導電体をループ状の長い帯状とすることができる。これにより平面パッチアンテナなどで、導電体と非導電体を相似にする場合に比べて非常に小型とすることができる。

また、スパイラルアンテナであれば、導電体と非導電体を相似形に保つためには、半径が次第に異なるために緻密に計算した上で導電体と非導電体の面積を形成する必要があるが、本実施の形態に係る自己補対型アンテナ１０１であれば、元々導電体１０３と非導電体１０４が、相似を保っているので、そのような困難性も無い。

このように形成された自己補対型アンテナ１０１の給電点１，１６から信号電流を供給することで、導電体１０３に電流が流れ、電磁波として放射される。

また、自己補対型となっているために、そのインピーダンス特性は定インピーダンスと成り、それは広い帯域に渡って定インピーダンスが実現されるので、非常に広い帯域での
動作が可能なアンテナが実現できる。

次に、帯体１０２を、このようなメビウス輪状に形成可能とするために、帯体１０２上の導電体１０３と非導電体１０４の配置について説明する。

図２において、帯体１０２の一方の面である表面には、導電体１０３である導電体Ａ１〜Ａ７と、非導電体１０４である非導電体Ｂ１〜Ｂ７が形成されている。導電体Ａ１〜Ａ７は、非導電体Ｂ１〜Ｂ７と同じ幅で形成されており相似としている。

導電体Ａ１〜Ａ７と、非導電体Ｂ１〜Ｂ７とでアンテナ部Ｃ１〜Ｃ７を形成している。

アンテナ部Ｃ１〜Ｃ４は、帯体１０２の中心線Ｃと平行した端辺に接して平行し、かつ同じ長さで偶数対である４対ほど、それぞれが隣接して形成されている。

そしてアンテナ部Ｃ５〜Ｃ７は、帯体１０２の他方の端部の中心線Ｃと平行した端辺に接する位置から、帯体１０２の長手方向の一方の端部のアンテナ部１０５の１対の幅分Ｗほど中心線に寄った位置までを結ぶ仮想線と接して平行し、かつ同じ長さに形成されており、アンテナ部Ｃ１〜Ｃ４と比べて１対少ない３対が隣接して形成されている。

図３に示す帯体１０２は、図２の帯体１０２を背面視した他方の面である裏面には、導電体１０３である導電体Ａ８〜Ａ１４と、非導電体１０４である非導電体Ｂ８〜Ｂ１４が形成されている。導電体Ａ８〜Ａ１４は、非導電体Ｂ８〜Ｂ１４と同じ幅で形成されており相似としている。

導電体Ａ８〜Ａ１４と、非導電体Ｂ８〜Ｂ１４とでアンテナ部Ｃ８〜Ｃ１４を形成している。

アンテナ部Ｃ１１〜Ｃ１４は、アンテナ部Ｃ１が平行に配置された端辺ＴＬ１に、接して平行かつ同じ長さに偶数対である４対ほど隣接して形成されている。

そしてアンテナ部Ｃ８〜Ｃ１０は、アンテナ部Ｃ７が接する端辺ＴＬ２の一端部から他端部の１対分の幅Ｗほど中心線Ｃ側に寄った位置まで結ぶ仮想線に接して平行かつ同じ長さに斜めに形成されており、アンテナ部Ｃ１１〜Ｃ１４と比べて１対少なく３対が隣接して形成されている。

第１のアンテナ部の１組であるアンテナ部Ｃ１〜Ｃ４について、アンテナ部Ｃ１は、端部に給電点１と接続端２が形成されている。アンテナ部Ｃ２は、端部に接続端５と接続端６が形成されている。以下、アンテナ部Ｃ３は、接続端９，１０が形成され、アンテナ部Ｃ４は、接続端１３，１４が形成されている。

第２のアンテナ部の１組であるアンテナ部Ｃ８〜Ｃ１０について、アンテナ部Ｃ８は、接続端３，４が形成され、アンテナ部Ｃ９は、接続端７，８が形成され、アンテナ部Ｃ１０は、接続端１１，１２が形成されている。

第１の接続端である接続端２，６，１０を第２の接続端である接続端３，７，１１へ同一面となるメビウス輪状に接続することで、その一端部である給電点１から他端部となる接続端１４の接続相手となる開放端１５まで連続したアンテナ部であるアンテナ１０６が形成できる。

同様にして、第１のアンテナ部の１組であるアンテナ部Ｃ１１〜Ｃ１４について、アン
テナ部Ｃ１４は、端部に給電点１６と接続端１７が形成されている。アンテナ部Ｃ１３は、端部に接続端２０と接続端２１が形成されている。以下、アンテナ部Ｃ１２は、接続端２４，２５が形成され、アンテナ部Ｃ１１は、接続端２８，２９が形成されている。

第２のアンテナ部の１組であるアンテナ部Ｃ５〜Ｃ７について、アンテナ部Ｃ７は、接続端１８，１９が形成され、アンテナ部Ｃ６は、接続端２２，２３が形成され、アンテナ部Ｃ５は、接続端２６，２７が形成されている。

第１の接続端である接続端１７，２１，２５を第２の接続端である接続端１８，２２，２６へ同一面となるメビウス輪状に接続することで、その一端部である給電点１６から他端部となる接続端２９の接続相手となる開放端３０まで連続したアンテナ部であるアンテナ１０６が形成できる。

以上にように、各接続端を接続することで、図１に示すように帯体１０２をメビウス輪状にした自己補対型アンテナ１０１が形成できる。

このように構成した本発明の実施の形態に係る自己補対型アンテナの特性について以下に説明する。

第１のアンテナ部であるアンテナ部Ｃ１〜Ｃ４またはＣ１１〜Ｃ１４の１本の導電体の長さをＬとする時、そこに接続される第２のアンテナ部であるアンテナ部Ｃ５〜Ｃ７またはＣ８〜Ｃ１０の１本の導電体の長さＬ’は、（数１５）となる。

従って、この場合の導体線の長さ（アンテナ長）ＡＬ’は、（数１６）となる。

（数１６）は、第１のアンテナ部として図２に示される帯体１０２の中心線Ｃより右半分、図３に示される帯体１０２の中心線より左半分の領域に４本の導電体を配置した本実施の形態の場合の計算式であるが、一般的にこれらの領域にＮ本の導体線を配置する場合のアンテナ長ＡＬは、（数１７）となる。

別の１本の導電体についても同様である。

従って、アンテナの他の特性、例えば指向性等が許す限りＮの値を大きくとれば、アンテナ装置の大きさを大きくすることなく、所要周波数帯域幅のより広い自己補対型アンテナとなる。

本発明の自己補対型アンテナは、多共振型の広帯域アンテナとは異なり周波数に依存しないアンテナである為、広帯域にわたり周波数を使うＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅＢａｎｄ）システムや、多くのシステム仕様に対応すると共に将来的な仕様更新をハードウェアではなくソフトウェアだけで対応しようとするＳＤＲ（ＳｏｆｔｗａｒｅＤｅｆｉｎｅｄＲａｄｉｏ）システム向けなどの用途にも適用出来る。

本発明の実施の形態による自己補対型アンテナの外観図本発明の実施の形態による自己補対型アンテナを広げた時の帯体の一方の面の導電体の配置構成図本発明の実施の形態による自己補対型アンテナを広げた時の帯体の他方の面の導電体の配置構成図従来の自己補対型アンテナの構成図

符号の説明

１給電点
２〜１４接続端
１５開放端
１６給電点
１７〜２９接続端
３０開放端
１０１自己補対型アンテナ
１０２帯体
１０３導電体
１０４非導電体
１０５アンテナ部
１０６アンテナ
Ａ１〜Ａ１４導電体
Ｂ１〜Ｂ１４非導電体
Ｃ１〜Ｃ１４アンテナ部
ＴＬ１，ＴＬ２端辺
Ｃ中心線

Claims

帯体の一方の面に、帯状の導電体と、前記導電体に隣接して形成された帯状の非導電体とを対とする第１のアンテナ部を２組形成し、
前記帯体の他方の面に、前記帯状の導電体および非導電体とそれぞれ同じ幅の帯状の導電体および非導電体を対とする第２のアンテナ部を２組形成し、
前記第１のアンテナ部は、それぞれ前記帯体の長手方向の端部に第１の接続端を有し、
前記第２のアンテナ部は、それぞれ前記第１の接続端が形成された前記帯体の長手方向の反対側の端部に第２の接続端を有し、
前記帯体をメビウス輪状とすることにより前記第１のアンテナ部の第１の接続端と前記第２のアンテナ部の第２の接続端とを同一面で接続して２本のアンテナを形成したことを特徴とする自己補対型アンテナ。
前記導電体と前記非導電体とは、同じ幅で形成されたことを特徴とする請求項１記載の自己補対型アンテナ。
前記第１のアンテナ部は、前記帯体の長手方向の中心線より片面に、前記中心線に平行した端辺に、接して平行かつ同じ長さに、前記導電体と前記非導電体とを偶数対隣接して配置した１組と、前記片面の反対側に、前記中心線に平行した端辺の一端部から、他端部の１対分の幅ほど前記中心線側に寄った位置まで結ぶ仮想線に、接して平行かつ同じ長さに、前記導電体と前記非導電体を、前記偶数対より１対少なく配置した１組とからなり、
前記第２のアンテナ部は、前記第１のアンテナ部を平行に配置した端辺に、接して平行かつ同じ長さに、前記導電体と前記非導電体とを前記偶数対隣接して配置した１組と、前記第１のアンテナ部が接する前記一端部から前記他端部の１対分の幅ほど前記中心線側に寄った位置まで結ぶ仮想線に接して平行かつ同じ長さに前記導電体と前記非導電体を前記偶数対より１対少なく配置した１組とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の自己補対型アンテナ。